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塔中一次強(qiáng)沙塵暴邊界風(fēng)場(chǎng)變化特征

2013-11-15 05:28:40王敏仲胡月宏
沙漠與綠洲氣象 2013年1期
關(guān)鍵詞:高度層揚(yáng)沙塔中

王 柯 ,何 清 ,王敏仲 ,胡月宏 ,韓 燕

(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊830002;2.63655部隊(duì),新疆 烏魯木齊841700)

沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)將地面大量塵沙吹起,使水平能見度小于1 km的天氣現(xiàn)象[1],是干旱和半干旱地區(qū)常出現(xiàn)的災(zāi)害性天氣。沙塵暴能導(dǎo)致荒漠化加劇,直接影響人類的生存環(huán)境,危害極大[2]。我國很多學(xué)者對(duì)沙塵暴的發(fā)生源地、產(chǎn)生機(jī)制、環(huán)境影響及危害進(jìn)行了多方面的研究和探索[3-7]。沙塵暴具有顯著的地域性,我國北方干旱、半干旱地區(qū)是沙塵暴的易發(fā)區(qū)。新疆地處中國西北邊陲,遠(yuǎn)離海洋,氣候干燥,沙漠廣闊,是中國沙塵暴的多發(fā)區(qū)之一[8]。塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠是中國大陸沙塵暴活動(dòng)最頻繁的地方[9]。因此,從氣候與環(huán)境的角度分析沙塵暴與大風(fēng)的時(shí)空分布特征,研究沙塵暴發(fā)生時(shí)的最多風(fēng)向和最小風(fēng)速指標(biāo),探討高空風(fēng)場(chǎng)與沙塵暴之間的關(guān)系,對(duì)于預(yù)防沙塵暴對(duì)氣候和環(huán)境的災(zāi)害性影響顯得尤為重要[10]。

烏魯木齊沙漠氣象研究所于2003年在塔中架設(shè)了80 m鐵塔梯度觀測(cè)系統(tǒng),可以細(xì)致地探測(cè)沙漠近地層氣象要素垂直梯度的變化[11-12],其后建立了系留氣艇探測(cè)系統(tǒng)對(duì)塔中邊界層進(jìn)行過一些探測(cè)研究。為了更深入地了解沙漠腹地大氣邊界層的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu),于2009年引入邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)并于當(dāng)年在塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站開展了連續(xù)的邊界層風(fēng)場(chǎng)探測(cè)研究[13]。本文利用風(fēng)廓線雷達(dá)的連續(xù)探測(cè)資料,分析了2010年4月19日塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴過程邊界層風(fēng)場(chǎng)變化特征,有益于深入了解非均勻流動(dòng)沙漠腹地的風(fēng)沙活動(dòng)。

1 塔中4月19日沙塵暴過程描述

2010年4月19日,塔中爆發(fā)了一次沙塵暴。4月17、18日塔中為浮塵揚(yáng)沙天氣,19日00:00—13:05為浮塵天氣,13:05—14:12出現(xiàn)了短暫的揚(yáng)沙天氣,沙塵暴于19日14:12爆發(fā),其間塔中能見度為450 m,16:11能見度轉(zhuǎn)好,16:11—18:42轉(zhuǎn)為揚(yáng)沙天氣,隨后又發(fā)展為沙塵暴(18:42—20:18),能見度降為 450 m,其間(18:52—19:25)加大至 11.1 m/s。沙塵暴過后,4月20—21日均為浮塵揚(yáng)沙天氣,地面風(fēng)速減弱,能見度增大,21日出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

2 塔中4月邊界層風(fēng)場(chǎng)特征

4月,塔中春季,邊界層風(fēng)場(chǎng)情況見圖1??傮w而言,高空風(fēng)從低空到高空,風(fēng)速變化呈遞增狀態(tài),從地面到5 000 m高空,風(fēng)速隨高度逐漸增加,地面風(fēng)最小,為1.5 m/s,主導(dǎo)風(fēng)向偏東,到5 000 m附近風(fēng)速達(dá)到最大,為14.4 m/s,風(fēng)向偏西。5 000 m高度內(nèi)空中風(fēng)的平均風(fēng)速為6.3 m/s。1 000 m高度以下存在著風(fēng)速切變現(xiàn)象,風(fēng)切變區(qū)分別出現(xiàn)在100 m以及400~500 m兩個(gè)高度層,切變區(qū)風(fēng)速為4 m/s。除去這兩個(gè)風(fēng)速切變區(qū)外,風(fēng)速從地面到1 000 m高度的變化較小,基本維持在1.5 m/s左右。2 800~3 000 m以及3 600~3 800 m為兩個(gè)風(fēng)速增幅較大區(qū),與相鄰100 m高度相比風(fēng)速增加了2.2 m/s。1 000 m高度內(nèi)平均風(fēng)速為2.1 m/s,2 000~5 000 m高度內(nèi)平均風(fēng)速為10.7 m/s,低層風(fēng)速遠(yuǎn)小于高層風(fēng)速。

1 000 m高度內(nèi)空中風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向偏東,1 000~5 000 m高度空中風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向偏西。

3 沙塵暴前后3 d風(fēng)向風(fēng)速隨時(shí)間變化特征

圖2~5為沙塵暴前后連續(xù)3 d(2010年4月18日至4月20日)4個(gè)不同高度層上(地面、500 m、1 000 m和1 500 m)的風(fēng)速、風(fēng)向隨時(shí)間變化曲線。

4月18日,塔中地面風(fēng)向多為NE,風(fēng)向隨時(shí)間順時(shí)針偏轉(zhuǎn),20:00后轉(zhuǎn)為偏西風(fēng);地面風(fēng)速多在3.0 m/s以下,1:41—5:12塔中出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣,風(fēng)速明顯增大,達(dá)到6~8 m/s,18日全天平均風(fēng)速為2.5 m/s(圖2)。

4月19日夜間塔中地面維持靜風(fēng),風(fēng)向繼續(xù)隨時(shí)間順時(shí)針偏轉(zhuǎn),由SW轉(zhuǎn)為NW,19日14:12,沙塵暴爆發(fā),風(fēng)向瞬時(shí)轉(zhuǎn)為NE,風(fēng)速由2 m/s增大至8 m/s以上,其后維持為偏東風(fēng),16:11—18:42揚(yáng)沙天氣期間風(fēng)速減至4.5 m/s,18:42沙塵暴再次爆發(fā)時(shí),風(fēng)速迅速增大至11 m/s,20:18沙塵暴轉(zhuǎn)為揚(yáng)沙,風(fēng)速逐漸減小,整個(gè)沙塵暴過程中(14:12—16:11;18:42—20:18)的風(fēng)速均在7.8 m/s以上。

沙塵暴過后,4月20日塔中地面為偏東風(fēng),全天平均風(fēng)速由19日的4.3 m/s減至4.0 m/s。

圖3a為塔中沙塵暴前后3 d 500 m高度層風(fēng)向變化曲線,從圖中可知,4月18日0:00—12:00,塔中500 m高度層風(fēng)向由NE順時(shí)針變化為S,18日13:00至19日沙塵暴爆發(fā)前為偏西風(fēng),19日沙塵暴過程中風(fēng)向迅速轉(zhuǎn)為NE,沙塵暴過后為偏東風(fēng)。

圖3b為塔中沙塵暴前后3 d 500 m高度風(fēng)速變化曲線,4月18日1:41塔中出現(xiàn)揚(yáng)沙天氣,500 m高度風(fēng)速開始增大,10:30后風(fēng)速從15.3 m/s開始回落,至12:00時(shí)減為1 m/s,之后回升,至19日達(dá)到沙塵暴前后72 h過程中的最大值21 m/s。18日平均風(fēng)速為7.7 m/s。

19日500 m高度風(fēng)速變化曲線與18日相仿,10:00達(dá)到一個(gè)風(fēng)速波峰后回落,沙塵暴出現(xiàn)前風(fēng)速減至最小,沙塵暴爆發(fā)后風(fēng)速增大,14:30達(dá)9 m/s,之后波動(dòng)上升,至19日24:00達(dá)到12.9 m/s(19日最大風(fēng)速值)。19日平均風(fēng)速為6.5 m/s,沙塵暴過程中(14:12—16:11;18:42—20:18)風(fēng)速均值為 4.9 m/s。

4月20日全天,500 m高度上的風(fēng)速平穩(wěn)減小,風(fēng)速均值為7.0 m/s。

不同于地面、1 000 m和1 500 m 3個(gè)高度層,在500 m高度上,塔中沙塵暴天(4月19日)風(fēng)速均值小于過程前后兩天(4月18日、4月20日)。

圖4為塔中沙塵暴前后3 d 1 000 m高度層風(fēng)向風(fēng)速變化曲線。與500 m高度風(fēng)向變化曲線相仿,4月18日00:00—18:00,塔中1 000 m高度層風(fēng)向從SE順時(shí)針變化為NW;18:00—23:00,風(fēng)向逆時(shí)針改變,從NW轉(zhuǎn)化為SW。4月19日00:00—15:00,1 000 m高度層上為偏西風(fēng),沙塵暴爆發(fā)過程中,風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|風(fēng)。

4月18日全天,1 000 m高度層風(fēng)速較小,平均風(fēng)速為2.5 m/s。18日23:00至19日3:00風(fēng)速增大到12 m/s,之后開始減小,沙塵暴開始時(shí)降至1.7 m/s,沙塵暴過程中風(fēng)速變化不大,在1.7~4.3 m/s間波動(dòng),沙塵暴結(jié)束后,1 000 m高度層風(fēng)速迅速增大,19日23:00達(dá)到3 d內(nèi)最大值13 m/s。之后的1 h風(fēng)速迅速減小,至當(dāng)日24:00風(fēng)速減至2 m/s。

4月20日,1 000 m高度層風(fēng)速總體呈先增后減的趨勢(shì),13:25揚(yáng)沙天氣開始時(shí)風(fēng)速達(dá)到當(dāng)天最大值12.5 m/s。20日的平均風(fēng)速由19日的6.0 m/s減至4.7 m/s。

圖5為塔中沙塵暴前后3 d 1 500 m高度層風(fēng)向風(fēng)速變化曲線,4月18日00:00至4月19日15:00,塔中1 500 m高度層風(fēng)向較為穩(wěn)定,多為SW;4月19日沙塵暴過程中風(fēng)向逆時(shí)針改變?yōu)镾E,20:30沙塵暴過后,風(fēng)向開始順時(shí)針轉(zhuǎn)為SW。4月20日2:00起,風(fēng)向從NW順時(shí)針轉(zhuǎn)為NE,隨后,4月20日全天為偏東風(fēng)。

4月18日1 500 m高度層全天風(fēng)速較小,平均為4.0 m/s。4月19日00:00起,風(fēng)速迅速增大,1:00—14:00,風(fēng)速穩(wěn)定在9~12 m/s間。第一個(gè)沙塵暴過程中(14:12—16:11),14:30、15:00、15:30、16:00的風(fēng)速分別為:8.3、8.8、7.5、6.3 m/s,小于沙塵暴爆發(fā)之前的風(fēng)速均值;在13:05—14:12短暫的揚(yáng)沙天氣過程中,風(fēng)速迅速減??;第二個(gè)沙塵暴過程中,19:00、19:30 和 20:00 的風(fēng)速分別為:2.7、2.8、3.5m/s,達(dá)到了19日全天風(fēng)速的最小值。

4月20日1 500 m高度層風(fēng)速變化趨勢(shì)與1 000 m高度層相似,總體呈先增后減的趨勢(shì),13:25揚(yáng)沙天氣開始時(shí)風(fēng)速增至當(dāng)天最大值11.8 m/s,之后波動(dòng)減弱,24:00風(fēng)速降至4.0 m/s。4月20日1 500 m高度的平均風(fēng)速與19日相同,均為7.4 m/s。

4 沙塵暴過程中風(fēng)向風(fēng)速隨高度分布特征

前面已對(duì)塔中各高度層風(fēng)向風(fēng)速在沙塵暴過程前后3 d內(nèi)隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行了分析,為進(jìn)一步了解強(qiáng)沙塵暴天氣過程中邊界層風(fēng)場(chǎng)變化特征,需對(duì)沙塵暴天氣風(fēng)場(chǎng)高度分布特征進(jìn)行研究。雷達(dá)資料顯示4月19日17:00(沙塵暴過程中)測(cè)站下沉運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈,平均下沉速度達(dá)到1.2 m/s,經(jīng)過分析認(rèn)為產(chǎn)生較強(qiáng)沉降運(yùn)動(dòng)的原因?yàn)椋核械貐^(qū)不是本次沙塵暴的源頭區(qū)域,沙塵暴產(chǎn)生后,上游地區(qū)沙塵被地面大風(fēng)吹起,經(jīng)空中風(fēng)傳送到達(dá)本場(chǎng)時(shí),沙塵粒子由于重力效應(yīng)產(chǎn)生沉降。

現(xiàn)在對(duì) 4月 19日 15:00、16:00、19:00和 20:00的風(fēng)向風(fēng)速隨高度分布的特征展開分析,所選4個(gè)時(shí)間點(diǎn)都處于沙塵暴過程中。

圖6為4月19日15:00風(fēng)向風(fēng)速隨高度的分布曲線,15:00為沙塵暴爆發(fā)初期,地面及近地層風(fēng)速很大,地面、50 m和100 m高度的風(fēng)速分別為:7.6、13.2、18.2 m/s。隨高度增大風(fēng)速迅速減小,150~900 m高度內(nèi)風(fēng)速很小,平均值僅為0.9 m/s,1 000~2 200 m高度風(fēng)速隨高度升高而增大,2 200 m以上風(fēng)速變化較小,穩(wěn)定在13.0 m/s左右。

15:00時(shí),700 m高度以下風(fēng)向較亂,各個(gè)風(fēng)向均有出現(xiàn),700 m以上風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng),隨高度升高風(fēng)向由NW逆時(shí)針變化為SW。

圖7為4月19日16:00風(fēng)向風(fēng)速隨高度的分布曲線,由圖可知:16:00地面及近地層風(fēng)速減小,地面和200 m的風(fēng)速分別為:8.3 m/s和5.1 m/s,但依然明顯大于1 200 m內(nèi)其他高度層的風(fēng)速。250~1 200 m高度內(nèi)風(fēng)速很小,平均值為1.3 m/s,1 200~2 200 m高度內(nèi),風(fēng)速與高度成正比,2 200 m高度風(fēng)速為14.1 m/s,與15:00相同,2 200 m高度以上風(fēng)速變化較小,穩(wěn)定在13.4 m/s左右。

700 m高度以下風(fēng)向?yàn)镹E,800~1 200 m高度風(fēng)向逆時(shí)針變化為NW,其上多為SW。

圖8為4月19日19:00風(fēng)向風(fēng)速隨高度分布曲線,由圖可知:地面風(fēng)速較大,近地層風(fēng)速稍小于地面風(fēng)速,地面、50 m和100 m高度上的風(fēng)速分別為:11.1、7.5、4.6 m/s?!暗惋L(fēng)速層”厚度增高至 1 700 m,風(fēng)速平均值為2.9 m/s。“風(fēng)速快速增大層”隨之升高,16:00“風(fēng)速快速增大層”范圍為1 200~2 200 m,19:00的“風(fēng)速快速增大層”范圍升高為1 800~3 100 m,此高度范圍內(nèi)風(fēng)速與高度成正比,風(fēng)速從1 700 m高度層的1.9 m/s快速增加到 3 100 m高度層的20.8 m/s。3 100 m高度以上風(fēng)速變化不大,穩(wěn)定在20.0 m/s左右。19:00時(shí)整層內(nèi)的最大風(fēng)速從16:00的14.6 m/s增大至20.9 m/s。

300 m高度以下風(fēng)向?yàn)镹W,300 m高度以上風(fēng)向順時(shí)針變化,350~1 700 m高度內(nèi)多為偏東風(fēng),其上轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)。

圖9為4月19日20:00風(fēng)向風(fēng)速隨高度的分布曲線圖,由圖可知:20:00近地層風(fēng)速已經(jīng)很小,但地面風(fēng)速依然保持7.9 m/s的較大值,1 800 m高度內(nèi)風(fēng)速變化不大,平均值為2.2 m/s,1 900~4 100 m風(fēng)速隨高度升高迅速增大,至4 100 m高度層風(fēng)速增至整層最大值22.2 m/s。

20:00時(shí)300 m高度以下為偏西風(fēng),350~1 500 m高度內(nèi)多為偏東風(fēng),1 800 m高度以上多為偏西風(fēng)。

圖10為塔中4月19日沙塵暴日11、15、19、23時(shí)的風(fēng)速廓線圖,11:00為沙塵暴過程前,15:00、19:00為沙塵暴爆發(fā)過程中,23:00為沙塵暴過程后。從圖中可知,沙塵暴過程中各高度層風(fēng)變化劇烈,15:00沙塵暴爆發(fā)初期,近地面風(fēng)速由11時(shí)的2.6 m/s激增至18.3 m/s,19、23時(shí)逐漸變小,但依然保持10 m/s左右的較大風(fēng)速;在300~1 000 m高度,沙塵暴爆發(fā)過程中風(fēng)速小于過程前后;1 000~2 000 m 高度內(nèi),11、15、19、23時(shí)風(fēng)速隨時(shí)間推進(jìn)呈遞減趨勢(shì);整個(gè)沙塵及過程前后,3 000m以上高度風(fēng)速較大。

5 結(jié)論

4月,塔中在沒有明顯天氣過程的情況下,1 000 m高度以內(nèi)多為偏東風(fēng),其上多為偏西風(fēng);0~1 500 m風(fēng)速一般不超過4 m/s,平均風(fēng)速為2.1 m/s。

此次強(qiáng)沙塵暴天氣過程中,沙塵暴爆發(fā)前,1 000 m高度內(nèi)風(fēng)向由東轉(zhuǎn)西,在沙塵暴開始爆發(fā)時(shí),1 500 m高度內(nèi)地面及空中風(fēng)都轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。近地面風(fēng)速在沙塵暴爆發(fā)時(shí)迅速增大,地面最大風(fēng)速為11 m/s,100 m高度層的風(fēng)速達(dá)到了18 m/s,沙塵暴過后近地面風(fēng)速緩慢減??;500~1 500 m高度層上,沙塵暴爆發(fā)前后風(fēng)速迅速增大,最大風(fēng)速為12 m/s,沙塵暴爆發(fā)期間風(fēng)速較弱,穩(wěn)定在5 m/s以內(nèi);3 000 m以上高空風(fēng)在沙塵暴爆發(fā)期間風(fēng)速可達(dá)20 m/s。

另外,沙塵被地面大風(fēng)吹起后由于重力產(chǎn)生沉降的拖曳作用,沙塵暴過程中塔中上空存在明顯的沙塵顆粒沉降運(yùn)動(dòng),平均下沉速度為1.2 m/s。

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焊接(2016年10期)2016-02-27 13:05:35
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